陳 力，劉曉暉，龐加斌，楊志剛

(1.同濟(jì)大學(xué)上海地面交通工具風(fēng)洞中心,上海 201804; 2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

前言

國(guó)家法規(guī)和消費(fèi)者對(duì)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的關(guān)注迫使汽車企業(yè)重視車輛的空氣動(dòng)力學(xué)性能。風(fēng)洞試驗(yàn)成為研究和開發(fā)車輛的重要手段。獲得反映道路車輛真實(shí)運(yùn)行的高精度的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)是車輛開發(fā)必不可少的數(shù)據(jù)。為此，企業(yè)試驗(yàn)人員和風(fēng)洞科研人員從未停止對(duì)氣動(dòng)力測(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法的研究。在眾多測(cè)試技術(shù)和測(cè)試方法的研究中[1-2]，車輛的固定方式卻未被重視，相關(guān)的研究也很少。

早期的風(fēng)洞試驗(yàn)，車輛的錨定都采用浮動(dòng)模式[3]，即僅以車輛自身質(zhì)量和自帶靜態(tài)制動(dòng)方式(如手剎等)進(jìn)行錨定。在試驗(yàn)過(guò)程中，隨著風(fēng)速的增大，由于升力的增加可能使被測(cè)車輛尾部上翹，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不可靠。隨著試驗(yàn)設(shè)備和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)地面系統(tǒng)(路面模擬系統(tǒng)和車輛轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng))相繼被新建[4]和改造[5]的風(fēng)洞采用。車輛的錨定方式發(fā)生改變，即以裝配在天平測(cè)量平臺(tái)上的車輛限位裝置固定試驗(yàn)車輛。一方面保證了被測(cè)車輛在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中位置不發(fā)生改變，另一方面保證相關(guān)設(shè)備的安全。當(dāng)然，限位裝置的存在可能對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。

傳統(tǒng)的浮動(dòng)模式和上述的固定模式在風(fēng)洞氣動(dòng)力測(cè)量中仍被使用。本文中重點(diǎn)對(duì)兩種錨定方式在風(fēng)洞氣動(dòng)力測(cè)量中的差異和根源進(jìn)行研究。利用國(guó)內(nèi)首個(gè)整車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞，對(duì)某車型進(jìn)行浮動(dòng)模式和固定模式的氣動(dòng)力測(cè)量，考慮到限位裝置的有無(wú)會(huì)在一定程度上對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，在浮動(dòng)模式測(cè)量時(shí)，僅斷開車輛與限位裝置連接，見圖1(a)，車身起始姿態(tài)保持一致，最大程度地保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可比性，經(jīng)過(guò)對(duì)氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力結(jié)果的分析，給出了相關(guān)解析，為氣動(dòng)力測(cè)量選用合理的車輛錨定方式提供試驗(yàn)和理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

整車氣動(dòng)-聲學(xué)風(fēng)洞配備高精度六分量氣動(dòng)天平和移動(dòng)地面系統(tǒng)，滿足了浮動(dòng)模式和固定模式的試驗(yàn)條件。0.005%的阻力和0.007%的升力測(cè)量精度極大地滿足了區(qū)別兩種錨定方式所要求的氣動(dòng)力測(cè)量精度。

試驗(yàn)采用圖1所示的浮動(dòng)模式和固定模式。分別測(cè)量了來(lái)流風(fēng)速60～200km/h(步長(zhǎng)為20km/h)的被測(cè)車輛的氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力。利用經(jīng)緯儀觀察記錄前后輪緣參考位置的變化，參考標(biāo)尺位置如圖2所示。

氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd和氣動(dòng)升力系數(shù)Cl分別為

(1)

式中：Ddrag和Dlift分別為氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力，N；ρ為空氣密度，kg/m3；U為來(lái)流速度，m/s；A為迎風(fēng)面積，取2.174m2。

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

2.1 氣動(dòng)阻力系數(shù)

圖3為兩種模式下氣動(dòng)阻力系數(shù)的試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，當(dāng)風(fēng)速為60～100km/h時(shí)，兩種模式得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)非常接近；但當(dāng)風(fēng)速為120～200km/h時(shí)，采用浮動(dòng)模式得到整車氣動(dòng)阻力系數(shù)大于采用固定模式，且差距在0.002～0.006之間。風(fēng)速越高，差距越大。

利用經(jīng)緯儀記錄浮動(dòng)模式下，高度方向位移增量δz，如表1所示。在所有試驗(yàn)風(fēng)速下，前輪緣的δz基本為0。在較小風(fēng)速時(shí)后輪緣的δz很小，但在較大風(fēng)速時(shí)其δz較大，最大可達(dá)19mm。由于車尾的上翹，使車身尾部的負(fù)壓區(qū)增大，前后壓差阻力也變大，從而導(dǎo)致整車氣動(dòng)阻力系數(shù)Cd在浮動(dòng)模式下比固定模式大。

表1 前后輪緣δz

2.2 氣動(dòng)升力系數(shù)

空氣以一定速度流經(jīng)車輛時(shí)，由于車輛的底部和地面邊界層的作用，使得底部流速減小，壓力增大。同時(shí)，氣流流經(jīng)車身上表面時(shí)，氣流加速、壓力減小，使車輛底部壓力大于頂部壓力，從而產(chǎn)生向上的升力，如圖4所示。兩種錨定方式下的氣動(dòng)升力系數(shù)如表2所示。

表2 兩種錨定方式的氣動(dòng)升力系數(shù)

注：C1f和C1r分別為車輛前部和車輛后部的氣動(dòng)升力系數(shù)。

從表2可以看出，浮動(dòng)模式與固定模式測(cè)得的車后部的氣動(dòng)升力系數(shù)Clr不同，浮動(dòng)模式下相比于固定模式要小些。在所有試驗(yàn)風(fēng)速下，約小0.015。這主要是由于試驗(yàn)車輛在浮動(dòng)模式下尾部由于升力(矩)作用而抬高，使底盤和地面邊界層厚度有所減小(δ浮動(dòng)<δ固定)，通過(guò)底盤尾部的流速增大、壓力減小，車身尾部上下的壓力差變小，氣動(dòng)升力系數(shù)由此變小。與之相反的是固定模式，由于車身尾部高度無(wú)法因氣動(dòng)升力(矩)的作用而變化，地面和底盤的邊界層厚度基本不變，車身尾部上下壓力也不變。

對(duì)于車前部的氣動(dòng)升力系數(shù)Clf，情況有所不同，即浮動(dòng)模式下比固定模式要大些。速度小于120km/h時(shí)，約大0.015；速度大于120km/h時(shí)，差距有所減少，特別是在速度升至200km/h時(shí)，差距僅為0.006。這與車輛底盤和地面邊界層引起的逆壓梯度有關(guān)。在固定模式下，風(fēng)速越大，逆壓梯度對(duì)車身前部的升力影響也越大，使流經(jīng)車頭底部的氣流速度迅速減小，上下壓差急劇增大，所以在Clf的表現(xiàn)上增大速率更為明顯。在浮動(dòng)模式下，底盤和地面的邊界層厚度的減小使底盤的氣流速度增大，減小了車輛底部的逆壓梯度。由于車尾的抬高，對(duì)前部氣流有一定的泄壓作用，因此逆壓梯度的發(fā)展呈穩(wěn)定的狀態(tài)，Clf隨風(fēng)速的增大呈穩(wěn)定的狀態(tài)。

車后部氣動(dòng)升力系數(shù)，浮動(dòng)模式小于固定模式；而車前部氣動(dòng)升力系數(shù)，浮動(dòng)模式大于固定模式。綜合結(jié)果，兩種錨定方式差別不大，速度高于100km/h時(shí)，總氣動(dòng)升力系數(shù)，浮動(dòng)模式小于固定模式。應(yīng)該指出的是，浮動(dòng)模式下，車輛尾部上翹幅度與風(fēng)速、車質(zhì)量等多個(gè)因素有關(guān)。盡管同一輛車，也有可能因?yàn)槟承┹p微的改動(dòng)，使車輛試驗(yàn)狀態(tài)發(fā)生改變，測(cè)量出來(lái)的氣動(dòng)升力系數(shù)不同，因此不具有可重復(fù)性。與之不同的是，固定模式能使所有試驗(yàn)工況被測(cè)車輛的位置不變，可重復(fù)性較好。

3 結(jié)論

浮動(dòng)模式與固定模式是試驗(yàn)車輛的兩種錨定方式。在氣動(dòng)力測(cè)量中，兩種方式得到氣動(dòng)阻力和氣動(dòng)升力是不同的。在氣動(dòng)阻力方面，高風(fēng)速時(shí)采用固定模式得到的氣動(dòng)阻力系數(shù)比浮動(dòng)模式小，其差距隨風(fēng)速的增加而增大。在氣動(dòng)升力方面，兩種錨定方式差別不大，速度高于100km/h時(shí)，固定模式的氣動(dòng)升力系數(shù)比浮動(dòng)模式稍大。

浮動(dòng)模式簡(jiǎn)單易操作，但由于車尾在高風(fēng)速時(shí)上翹，存在一定運(yùn)行操作安全問(wèn)題，如在高風(fēng)速下車輛容易飄逸產(chǎn)生事故。相反，固定模式在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，被測(cè)車輛的位置固定不變，由此不僅保證試驗(yàn)安全，而且同一車型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可重復(fù)性和可比性也較好。

[1] Beauvais F N, Tignor S C, Turner T R. Problems of Ground Simulation in Wind Tunnel Testing of Automotive Models[C]. SAE Paper 680121.

[2] Hetherington B, Williams D B. Support Strut Interference Effects on Passenger and Racing Car Wind Tunnel Models[C]. SAE Paper 2006-01-0565.

[3] Wickern G, Beese E, et al. Computational and Experimental Evaluation of a Pad Correction for a Wind Tunnel Equipped for Rotating Wheels Balance[C]. SAE Paper 2002-01-0532.

[4] Duell E, Ebeling W, et al. The BMW AVZ Wind Tunnel Center[C]. SAE Paper 2010-01-0118.

[5] Johan S, Trevor B, et al. Upgrade of the Volvo Cars Aerodynamic Wind Tunnel[C]. SAE Paper 2007-01-1043.